激光雷達（LiDAR）由于具備高分辨率、高測距精度以及強抗干擾能力，已被廣泛應用于自動駕駛、機器人導航和無人機避障等領域。基于微機電系統（MEMS）技術的激光雷達因其微型化和半固態特性而受到廣泛關注。然而，MEMS掃描微鏡及其相關激光雷達系統的小掃描角度導致了諸多問題，例如掃描范圍受限和空間分辨率較低，從而阻礙了MEMS激光雷達的更廣泛應用。
據麥姆斯咨詢報道，為解決MEMS微鏡掃描角度小以及現有光學系統局限性所帶來的問題，由浙江大學、浙江大學湖州研究院等機構的研究人員組成的團隊提出了一種新型MEMS激光雷達發射光學系統，能夠實現大掃描角度和高空間分辨率。該系統基于反射鏡陣列和菲涅爾棱鏡，在保持高空間分辨率的同時實現目標區域大角度掃描。其掃描范圍達120° × 60°，空間分辨率為0.05° × 0.25°，光束充填率達到90.63%。上述研究成果以“Design of a Transmitting Optical System for Large-Angle MEMS Lidar with High Spatial Resolution”為題發表于Photonics期刊。
掃描系統利用菲涅爾棱鏡實現大角度MEMS微鏡的高填充率，如圖1所示。系統的光源采用光纖激光束陣列，經過特殊設計的菲涅爾棱鏡后，不同位置的激光束會產生不同的偏轉角度。出射光束經反射鏡聚焦至MEMS掃描微鏡，確保光束保持準直狀態。MEMS微鏡接收相應控制信號后掃描目標區域。受機械結構等因素限制，陣列激光束間存在較大間隙，此布局需采用更大尺寸的菲涅爾棱鏡，不利于棱鏡加工與微型化設計。因此本研究提出采用反射鏡陣列將激光束陣列從稀疏陣列轉換為緊湊激光束，從而實現光束偏轉。這兩套掃描系統上下結合，進一步提高了空間分辨率。上下掃描系統組裝固定時，兩組陣列激光束在垂直方向上交錯排列，間距為光斑間距的一半，滿足系統高填充率的要求。
圖1 多光束、大角度、高填充率掃描系統結構示意圖
本文設計的菲涅爾棱鏡需同時實現兩項功能：將激光束從不同位置偏轉至MEMS微鏡，并以不同掃描角度分配陣列激光束。此外，必須確保發射的激光束保持平行，且不損害光束質量。
該系統可以采用單軸掃描鏡或二維掃描鏡。單軸掃描鏡具有成本低、控制簡單以及水平掃描角度大的優點；而二維掃描鏡雖然成本更高，但其空間分辨率更高，如圖2所示。陣列激光束能夠形成更高密度的激光點陣，同時該系統的可擴展性也較強。
圖2 二維掃描的光束分布
反射鏡陣列的工作原理如圖3所示。該反射鏡陣列可將稀疏的激光束陣列轉換為緊湊的激光束陣列，從而更好地與后續的菲涅爾棱鏡相匹配。通過合理布置反射鏡，原始間距為h?的激光束陣列可以被轉換為間距為h?的緊湊型激光束陣列。通過兩組反射鏡陣列的設計，可以使激光束陣列與菲涅爾棱鏡不處于同一平面，這降低了系統組裝的難度，使整體系統更加靈活。
圖3 反射鏡陣列的工作原理示意圖
系統中的菲涅爾棱鏡為平面菲涅爾棱鏡，棱鏡的中心稱為第0環，其外側依次為第1環、第2環，依此類推，由內向外排列。第0環的半徑記為h?，第i環中點到棱鏡中心的距離記為h?。圖4a顯示了平行光垂直入射通過菲涅爾棱鏡平面后的會聚光路圖。
當平行光從第i環的棱鏡部分入射時，由于其為垂直入射，因此在點M不會發生偏轉；但當光線穿過透鏡到達點N時，由于此處光線與出射界面不再垂直，因而會產生偏轉（圖4b）。
圖4 大視場、高聚光接收系統的光路圖
通過理論計算設計出了一種滿足要求的高性能菲涅爾棱鏡，并利用Zemax光學設計軟件進行了仿真分析。系統的整體光路如圖5所示。陣列激光束經過菲涅爾棱鏡后仍保持與棱鏡平行，隨后所有激光束經由反射鏡反射至MEMS微鏡。MEMS微鏡通過一維掃描實現目標平面的大角度、高空間分辨率掃描。可以看出，所有激光束均被反射到尺寸極小的MEMS微鏡上，且反射后的光束質量未受損，依然保持為平行狀態，不同光束則分布在不同的角度上。
圖5 大角度掃描光學系統的光路圖
菲涅爾棱鏡的三維結構如圖6所示。通過對不同子單元的傾角進行設計，實現了對激光束陣列的精確操控。
圖6 菲涅爾棱鏡的三維結構
為了驗證設計的正確性，研究人員制造了一個簡化版的菲涅爾棱鏡，并將其與紅色和綠色激光配合使用。激光束經過棱鏡偏轉后射向MEMS微鏡，并在其表面被反射和掃描。實驗設置如圖7所示，掃描結果如圖8所示。圖中可以看到紅色和綠色激光束實現了交替掃描，從而提高了系統的空間分辨率。圖9展示了反射鏡陣列與菲涅爾棱鏡的三維模型。
圖7 實驗設置
圖8 掃描結果
圖9 反射鏡陣列與菲涅爾棱鏡的三維模型
綜上所述，為解決MEMS微鏡掃描角度較小以及現有配套光學系統無法同時兼顧掃描角度和空間分辨率的局限性，這項研究提出了一種基于反射鏡陣列與菲涅爾棱鏡的MEMS激光雷達發射光學系統，僅使用單個MEMS微鏡，實現了大掃描角度與高空間分辨率。此外，本研究提出的系統可以與研究團隊先前提出的大視場接收光學系統結合使用，如圖10所示。
圖10 大視場、高分辨率MEMS激光雷達的掃描系統與接收系統
系統中的反射鏡陣列用于將稀疏的激光束陣列轉換為緊湊陣列，克服了機械結構導致的光束間隙問題。本研究還分析了激光束發散角與空間分辨率之間的關系，確定了具有最高光束空間填充率的掃描方案，并實現了系統的最高探測效率。在此基礎上，研究人員設計了菲涅爾棱鏡，并利用單個MEMS微鏡實現了陣列激光束的大角度掃描。在保證高空間分辨率的同時，系統實現了目標區域的大角度覆蓋，其掃描范圍達到120° × 60°，空間分辨率為0.05° × 0.25°，光束填充率高達90.63%。未來，研究人員將進一步利用激光陣列芯片和超構透鏡（meta-lens）對其進行優化，以持續提升激光雷達系統的性能參數。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/photonics12090840
